Astronauti na palubě Mezinárodní kosmické stanice aktivovali nově vylepšené zařízení Cold Atom Lab, jedinečný systém určený k tomu, aby mohli výzkumníci lépe studovat základy fungování hmoty a vyvinuli nové kvantové technologie. Využitím jedinečného prostředí mikrogravitace v kosmickém prostoru může tato laboratoř provádět špičkové vědecké aktivity, které by se jinde dělat nedaly. Kvantový výzkum patří do oboru výzkumu hmoty v nejmenších měřítcích, jako jsou atomy, elektrony, či fotony. Je sice jednoduché si představit atomy jako kulečníkové koule, které se od sebe navzájem odrážejí, ale mohou se také chovat jako vlny a dokonce existovat souběžně na dvou místech, či skrz sebe procházet.

Velikost Cold Atom Lab přirovnává agentura NASA k miniledničce, která je ovládána ze Země. Jejím úkolem je chladit atomy na cca – 273 °C. Při tomto extrémním mrazu jen kousíček nad absolutní nulou vytvářejí atomy velký kvantový objekt, kterému se říká Boseho-Einsteinův kondenzát (zkráceně BEC = Bose‑Einstein condensate), což je soubor vln hmoty, označovaný někdy jako páté skupenství po pevných látkách, kapalinách, plynech a plazmatu. Tento objekt splňuje pravidla kvantové mechaniky, ačkoliv je mnohem větší než subatomární částice, přičemž mikrogravitace na nízké oběžné dráze pomáhá udělat tyto vlny ještě větší.

„Při nejnižších teplotách se hmota chová drasticky jinak než cokoliv, co jsme zažili,“ popisuje Jason Williams, vědec zapojený do projektu Cold Atom Lab z Jet Propulsion Laboratory v jižní Kalifornii, kde bylo zařízení sestaveno a dodává: „Vlnová podstata hmoty dominuje a ultrachladná hmota se může chovat způsoby, které jsou nejenže nečekané, ale také umožňují extrémně přesné měření času, gravitace a pohybu. Laboratoř má mnoho nástrojů, především díky nejnovějšímu vylepšení, které nám umožňují studovat podstatu vesmíru.“ Celý projekt podporuje pět mezinárodních týmů studujících fundamentální fyziku. Testuje také připravenost kvantových nástrojů na kosmické prostředí. Tyto nástroje by v budoucnu mohly podporovat budoucí výzkum Země, či kosmické průzkumné mise.

Srdcem zařízení Cold Atom Lab je komplexní soubor přístrojů označovaný jako vědecký modul. Vylepšený modul byl vynesen 11. dubna na palubě nákladní kosmické lodi Cygnus. Pro každý experiment dojde k zahřátí rubidia či draslíku až na 400 °C, což je dostatečná teplota k vytvoření plynu ve vakuové komoře zařízení. Salvy laserů velmi přesně nastavených na konkrétní frekvence jsou poté vypáleny do plynu v komoře, aby z tamních atomů „odsály“ energii a snížily jejich teplotu tím, že je zpomalí. Jakmile plyn projde touto fází ochlazování lasery, zachytí jej a udrží na místě magnetická past. Prostřednictvím série komplexních postupů laboratoř ještě dále sníží energii mraku atomů. Přivede je téměř do nehybného stavu a maximalizuje jejich čas v mikrogravitaci.

Ačkoliv zařízení studující ultrachladné atomy existují i na Zemi, Cold Atom Lab může studovat kvantové plyny v mikrogravitaci po delší dobu a dokonce za ještě nižších teplot. Provádění těchto experimentů ve snížené gravitaci umožňuje vědcům studovat větší kvantové vlny, které také delší dobu interagují s gravitací. Aby bylo možné tyto výhody využít, Cold Atom Lab v podstatě zmenšuje laboratoř pro výzkum atomové fyziky – která má obvykle rozměry celé místnosti plné laserů a stolních zrcadel – tak, aby se vešla do experimentálního stojanu na palubě vesmírné stanice.

„Jakožto první projekt, který měl na oběžné dráze vytvořit Boseho-Einsteinův kondenzát, jsme demonstrovali, že můžeme zajistit spolehlivý chod kvantových technologií v kosmickém prostoru,“ říká Ethan Elliott, zástupce vedoucího projektu Cold Atom Lab z JPL a dodává: „V minulém století tu byla kvantová revoluce, která vedla k laserům, mobilním telefonům a magnetické rezonanci pro medicínské zobrazování. Nyní realizujeme kvantum 2.0, přímou manipulaci s velkými kvantovými stavy, a věříme, že pokrokem v této vědecké oblasti na oběžné dráze dosáhneme podobných přínosů v oblasti kvantových technologií.“

Nejnovější vylepšení je již čtvrté od roku 2018, kdy Cold Atom Lab dorazila na ISS. Mezi klíčová vylepšení patří nově navržená magnetická past, která mění tvar mraku kvantového plynu, čímž umožňuje vědcům testovat odlišné vlastnosti spojené s těmito atomy. Vylepšení také zahrnuje předesignování kovových proužků, které slouží jako zdroje těchto oblaků atomů. „Je to to, co se nejvíce blíží možnosti ovládat hranice kvantového světa,“ říká Kamal Oudrhiri, projektový manažer Cold Atom Lab na JPL a s odkazem na tyto nízké teploty dodává: „Toto nové vylepšení posune tuto hranici ještě více.“ Toto vylepšení, jak Oudrhiri dodává: „demonstruje schopnost NASA udržet americké vedení v kosmických kvantových technologiích zatímco dozrávají budoucí kvantové přístroje, jako jsou interferometry vlnění hmoty pro mise základní fyziky, určování pozice, navigace, času a gravitace na Zemi, Měsíci i dál.“

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/…/1-pia26725-astronaut-jessica-meir-assists-with-hardware-updates-for-nasas-cold-atom-lab-1.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f9/Pia22562-16.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cd/Cold_Atom_Laboratory_during_upgrades_on_ISS.jpg